一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，包括一個芯片級原子蒸汽室，其中原子蒸汽室由玻璃與刻有凹槽的硅片封閉而成，凹槽側面作為反射激光的反射鏡。原子蒸汽室中充有堿金屬原子、惰性氣體原子和緩沖氣體。一個半導體激光器發(fā)出的激光分為兩束光，其中一束光被四分之一波片轉變成圓偏振光，被反射后進入原子蒸汽室，作為泵浦光；另一束被反射后進入原子蒸汽室，作為探測光。泵浦光和探測光在原子蒸汽室中正交。探測光與原子作用后被偏振分束器分為兩束，分別采用光電探測器探測。本發(fā)明采用單個激光器、原子蒸汽室側面的凹槽反射來得到泵浦光和探測光，采用法拉第磁光旋轉效應探測信號，可用于實現高精度芯片NMR陀螺儀。
【專利說明】-種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及原子傳感器領域，更具體涉及一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝 置，它適用于研制芯片核磁共振陀螺儀的方法和系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 陀螺儀用來測量物體的轉動和方向，它是慣性導航定位系統(tǒng)中最重要的傳感器 之一，為系統(tǒng)提供姿態(tài)和轉動速率信息。采用微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS)技術，陀螺儀可以制成芯片級，具有尺寸小、功耗低等特點，越來越受到人們 的關注。芯片陀螺儀在導彈、微小航行器導航有廣泛應用需求。
[0003] 目前廣泛使用的芯片陀螺儀屬于機械陀螺儀，然而芯片機械陀螺儀有長期漂移率 大，對震動敏感等缺點，測量精度不理想。芯片核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR)陀螺儀是采用NMR技術的芯片級原子陀螺儀，NMR陀螺儀長期漂移率小，且不包含運 動部件，利用幾乎不受外界干擾的原子慣性特性來測量旋轉因此對震動不敏感，芯片級NMR 陀螺儀不僅測量精度高、還具有體積小、功耗低、測量動態(tài)范圍大等優(yōu)點。
[0004] NMR陀螺儀的工作原理為：核自旋不為零的原子在靜磁場中以拉莫爾進動頻率自 旋進動，該進動頻率為，其中Y為原子自旋的旋磁比,?為陀螺儀提供的靜磁場 強度。原子自旋本身具有慣性系統(tǒng)特征，因此當陀螺儀以角速度轉動時，拉莫爾進動頻 率將由變?yōu)椤丁?^= YHQ-〇^，通過Y、HQ和觀測到的拉莫爾進動頻率〇3^就可確定 陀螺儀的轉動角速度ωρ
[0005] 實現NMR陀螺儀的技術方法：
[0006] (1)單個原子NMR信號非常弱，目前NMR陀螺儀通過探測大量原子的宏觀平均行 為，反映拉莫爾進動頻率的NMR信號強度與原子的宏觀磁極矩呈正比。NMR陀螺儀常用方案 是采用一束與磁場同向的圓偏振強光束作為泵浦光對堿金屬原子作極化抽運，通過極化的 堿金屬原子與惰性氣體原子的碰撞傳遞磁極矩使惰性氣體極化，通過測量極化的惰性氣體 原子宏觀磁極矩獲得陀螺儀的轉動角速度ωρ惰性氣體原子宏觀磁極矩會隨著時間衰減， 通常在原子蒸汽室中充入合適緩沖氣體以減緩衰減速率。
[0007] (2)采用法拉第磁光旋轉效應探測NMR信號是探測拉莫爾進動頻率常用方案，該 探測方案陀螺儀具有裝置結構簡單、所獲信號信噪比高的優(yōu)點。該探測方案除用強泵浦光 對原子作極化抽運之外還用一束弱探測光與原子作用實施信號探測。探測光為線偏振光， 在原子蒸汽室內探測光束與泵浦光束相互正交。探測過程中沿探測光方向施加交流磁場， 交流磁場使得極化原子引起探測光偏振方向發(fā)生轉動，利用偏振分束器提取探測光偏振變 化的信息，通過偏振變化信息獲得陀螺儀的轉動角速度ωρ
[0008] (3)法拉第磁光旋轉效應方案通常設置很弱的&，使得^仏和兩量接近以利 于測量，弱％導致準確確定它的值和保持它的穩(wěn)定性均較困難。一種有效的方案是在原子 蒸汽室中充兩種旋磁比不同的惰性氣體原子，通過分別測量同處于％中的這兩種原子，得 到ω<Λ^ = ΥΑ_ωΡ ω<Λ〇= 聯解兩個方程抵消4自身誤差和4起伏誤差的 影響。
[0009] NMR陀螺儀由物理單元和電路單元兩個基本部分組成，物理單元包括光源、光學元 件、原子蒸汽室和光電探測等。芯片級NMR陀螺儀需要通過MEMS工藝實現芯片NMR陀螺儀 物理系統(tǒng)，雖然現已出現各種不同芯片NMR陀螺儀物理系統(tǒng)方案，但均存在各自問題：（1) MEMS原子蒸汽室普遍采用玻璃-硅-玻璃的三明治結構，泵浦光與探測光難以在光-原子 作用區(qū)實現相互正交；（2)兩光由兩個獨立的半導體激光器提供，分別對兩個激光器實施 溫度控制、輸出激光的頻率和功率控制耗費資源多，另外兩光性能獨立變化，實施兩光工作 狀態(tài)相互配合困難；（3)雖有出現硅-玻璃-硅三明治結構MEMS原子蒸汽室方案，可以實 現泵浦光與探測光束在光-原子作用區(qū)相互正交，但卻存在難以將光有效地耦合入原子蒸 汽室的缺點。
【發(fā)明內容】
[0010] 本發(fā)明的目的是在于提供了一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，結構簡單， 使用方便，成本低，易于實現，且兩光的相干性好，克服了現有芯片NMR陀螺儀難實現在原 子蒸汽室內兩光束相互正交的困難，改善了 NMR信號質量，提高了芯片NMR陀螺儀精度。 [0011] 為了實現上述的目的，本發(fā)明采用以下技術措施：
[0012] 一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，包括VCSEL，還包括刻凹槽硅片和設置在 刻凹槽硅片上的玻璃片，刻凹槽硅片上設置有倒方錐臺形的凹槽，凹槽與玻璃片之間的封 閉區(qū)域構成原子蒸汽室，原子蒸汽室中充有堿金屬原子、一種或多種惰性氣體原子以及一 種或多種緩沖氣體，凹槽的側面設置有反射鏡，VCSEL發(fā)出激光束經過第一直角三棱鏡分為 反射光和透射光，反射光被凹槽側面的反射鏡反射到原子蒸汽室作為探測光與原子作用， 透射光通過四分之一波片后被凹槽側面的反射鏡反射到原子蒸汽室作為泵浦光與原子作 用，泵浦光與探測光在原子蒸汽室中正交，探測光與原子作用后被凹槽側面的反射鏡反射 后被偏振分束器分為兩束，分別采用光電探測器探測。
[0013] 如上所述的凹槽側面設置的反射鏡包括依次設置在凹槽的三個側面的第二凹槽 側面反射鏡、第一凹槽側面反射鏡和第三凹槽側面反射鏡，VCSEL設置在激光器基座上，激 光器基座設置在玻璃片上，第一直角三棱鏡的透射光經過四分之一波片轉換成圓偏振光后 被第二直角三棱鏡反射到第一凹槽側面反射鏡上，圓偏振光被第一凹槽側面反射鏡反射后 作為泵浦光，第一直角三棱鏡的反射光被第三直角三棱鏡反射到第二凹槽側面反光鏡上， 第二凹槽側面反光鏡將線偏振光反射到原子蒸汽室內作為探測光，探測光正交后被第三凹 槽側面反光鏡反射并入射偏振分束器，偏振分束器將入射光分為兩束，其中一束被第一光 電探測器探測，另一束被第二光電探測器探測。
[0014] 如上所述的VCSEL和第一直角三棱鏡之間還設置有凸透鏡，VCSEL位于凸透鏡的 焦點處。
[0015] 如上所述的第一直角三棱鏡的透射光強占入射光強的85%?95%。
[0016] 如上所述的泵浦光的直徑與倒方錐臺形的凹槽的深度一致，所述的探測光的直徑 與倒方錐臺形的凹槽的深度一致。
[0017] 如上所述的VCSEL的線偏振光的偏振方向與玻璃片平行，所述的四分之一波片 的光軸方向與入射激光的偏振方向成45°夾角，所述的第二直角三棱鏡的內角分別為 35. 26°、54. 74°和90°，所述的第三直角三棱鏡的內角分別為35. 26°、54. 74°和90°， 所述的倒方錐臺形的凹槽的三個側面均與玻璃片的角度為54. 74°，第二直角三棱鏡、第三 直角三棱鏡的反射面與玻璃片夾角均為35. 26°，第二直角三棱鏡、第三直角三棱鏡的反射 面法線方向與入射激光束的入射方向夾角均為54. 74°。
[0018] 如上所述的刻凹槽硅片為〈100〉晶向硅片，倒方錐臺形的凹槽的側面由濕法各向 異性腐蝕得到。
[0019] 如上所述的第一凹槽側面發(fā)射鏡、第二凹槽側面發(fā)射鏡和第三凹槽側面發(fā)射鏡為 單層金屬反射膜或多層介質反射膜。
[0020] 如上所述的刻凹槽硅片的表面與玻璃片通過陽極鍵合工藝貼合。
[0021] 如上所述的入射偏振分束器的激光與偏振分束器分束面夾角為45°，分束后的兩 出射激光分別與第一光電探測器和第二光電探測器垂直。
[0022] 本發(fā)明泵浦光和探測光均由同一激光器產生，該方案物理系統(tǒng)成本低，易于實現， 且兩光的相干性好；采用原子蒸汽室凹槽側面作為反射鏡實現泵浦光束與探測光束在原子 蒸汽室內相互正交，克服了現有芯片NMR陀螺儀難實現在原子蒸汽室內兩光束相互正交的 困難；硅片的凹槽通過濕法刻蝕獲得，與干法刻蝕增加刻蝕深度困難相比濕法刻蝕易于增 加凹槽的深度，因此可以方便地根據需要通過增加深度和擴大光斑擴大光-原子相互作用 體積，從而改善NMR信號質量，提高芯片NMR陀螺儀精度。
[0023] 通過以下的描述并結合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明 的實施例。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1為一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置的結構立體示意圖。
[0025] 圖2為一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置的結構俯視示意圖。
[0026] 圖3(a)為圖2中沿A-A剖面光束示意圖。
[0027] 圖3(b)為圖2中沿A-A剖面光束標記示意圖。
[0028] 圖4(a)為圖2中沿B-B剖面光束示意圖。
[0029] 圖4 (b)為圖2中沿B-B剖面光束標記不意圖。
[0030] 圖5為泵浦光束和探測光束在原子蒸汽室中正交的示意圖。
[0031] 其中：1-刻凹槽硅片；2-玻璃片；3-第一凹槽側面反射鏡；4-第二凹槽側面反射 鏡；5-第三凹槽側面反射鏡；6-原子蒸汽室；7-VCSEL ;8_激光器基座；9-凸透鏡；10-第一 直角三棱鏡；11-四分之一波片；12-第二直角三棱鏡；13-第三直角三棱鏡；14-入射偏振 分束器；15-第一光電探測器；16-第二光電探測器。
【具體實施方式】
[0032] 實施例1 :
[0033] 現在參考附圖描述本發(fā)明的實施例，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。
[0034] 如圖1所示，一種芯片NMR陀螺儀物理單元裝置，該裝置包括刻凹槽硅片1、玻璃 片2、第一凹槽側面反射鏡3、第二凹槽側面反射鏡4、第三凹槽側面反射鏡5、原子蒸汽室6、 VCSEL7、激光器基座8、凸透鏡9、第一直角三棱鏡10、四分之一波片11、第二直角三棱鏡12、 第三直角三棱鏡13、入射偏振分束器14、第一光電探測器15、第二光電探測器16。其連接關 系是：凹槽由濕法刻蝕硅片得到，利用〈100〉晶向單晶硅片在KOH溶液中的各向異性腐蝕， 自腐蝕停止于（111)晶面，從而形成與硅片表面呈54. 74°的凹槽側面，在凹槽側面上鍍反 射單層金屬膜或多層介質膜實現反射鏡面。例如，在凹槽不需鍍膜預先鍍有機膜，然后利用 硬掩模濺射TiW/Au對凹槽鍍單層金膜，最后剝離有機膜，在需要的凹槽側面實現金膜反射 鏡面；如果采用多層介質膜可利用電子束蒸發(fā)鍍膜方式蒸鍍Ta 205/Si02多層介質膜，蒸鍍 在不需要鍍膜面上的介質膜通過化學機械研磨的方式去除，在需要的凹槽側面實現多層介 質膜反射鏡面。同這樣的方法實現第一凹槽側面反射鏡3、第二凹槽側面反射鏡4和第三凹 槽側面反射鏡5?？贪疾酃杵?和玻璃片2通過陽極鍵合工藝貼合，刻凹槽硅片1和玻璃片 2形成的封閉區(qū)域為原子蒸汽室6,原子蒸汽室6中充有堿金屬（例如銣87、銫133)、惰性 氣體原子（例如氙129、氙131、氦3和等效作用的惰性氣體中的兩種）、緩沖氣體（例如氮 氣、甲烷或等效作用的氣體）。
[0035] 圖2為本發(fā)明裝置的結構俯視示意圖。如圖2所示，VCSEL7提供線偏振激光，VCSEL 安裝在激光器基座8上，出射光的偏振方向與玻璃面平行。沿出射光前進方向設置激光器 基座8、凸透鏡9、作為部分反射鏡的第一直角三棱鏡10，其中凸透鏡的焦點與VCSEL位置 重合，焦距滿足將激光轉換成直徑與凹槽深度尺寸相等的平行光束。第一直角三棱鏡10使 偏振平行于玻璃面的入射光束分為強度約為92:8的透射光與反射光。沿透射光前進方向 依次設置四分之一波片11、作為第一全反射鏡的第二直角三棱鏡（內角分別為35. 26°、 54. 74°、90° )12,線偏振透射光經四分之一波片11轉換為圓偏振光，經第二直角三棱 鏡12反射后通過玻璃片2進入原子蒸汽室，經第一凹槽側面反射鏡3反射后與原子作用。 沿反射光前進方向上設置作為第二全反射鏡的第三直角三棱鏡（內角分別為35. 26°、 54.74°、90° )13,透射線偏振光經第三直角三棱鏡13反射進入蒸汽室，經第一凹槽側面 反射鏡3反射后與原子作用，經反射鏡面5反射，經玻璃窗口出射原子蒸汽室入射偏振分光 棱鏡，入射偏振分光棱鏡的光束被分為偏振特性不同的反射光束和透射光束，反射光束和 透射光束分別被第一光電探測器15和第二光電探測器16探測。
[0036] 圖3(a) (b)分別為圖2中沿A-A剖面光束及光束標記示意圖。發(fā)散的線偏振光束 al經凸透鏡9轉變?yōu)槠叫泄馐鴄2, a2經過第一直角三棱鏡10后92%光強的激光透射成 為透射光束a3,線偏振光束a3經四分之一波片11后成為圓偏振光束a4，a4經第二直角三 棱鏡12全反射成為光束a5, a5入射原子蒸汽室經第一凹槽側面反射鏡3反射后成為光束 a6,泵浦光束a6在原子蒸汽室6中與堿金屬原子作用，將堿金屬原子極化，極化的堿金屬原 子通過耦合作用將惰性氣體極化。
[0037] 圖4(a) (b)分別為圖2中沿B-B剖面光束及光束標記示意圖。圖3(b)中平行光 束a2入射第一直角三棱鏡10后8%光強的激光被反射成為反射光束bl，bl經第三直角三 棱鏡13全反射成為光束b2, b2入射原子蒸汽室經第二凹槽側面反射鏡4反射后成為探測 光束b3,偏振方向平行于玻璃2表面的b3在原子蒸汽與泵浦光束a6在圖5中X區(qū)域正交。 由于法拉第磁光旋轉效應與原子作用后b3的的偏振方向發(fā)射變化，b3經第三凹槽側面反 射鏡5反射成為光束b4,入射偏振分束器14的b4被分為兩光束，其中保持偏振方向與玻璃 2表面相平行的光分量成為反射光束b5被第一光電探測器15探測，與b5偏振方向相垂直 的光分量成為透射光束b6被第二光電探測器16探測。
[0038] 如上所述，本發(fā)明泵浦光和探測光均由同一激光器產生，該方案物理系統(tǒng)成本低， 易于實現，且兩光的相干性好；采用原子蒸汽室側面的凹槽反射實現泵浦光束與探測光束 在原子蒸汽室相互正交，克服了芯片NMR陀螺儀難以實現兩光束在原子蒸汽室相互正交的 困難；濕法刻蝕方法易于增加硅片凹槽的深度，因此可以方便地根據需要通過增加深度和 擴大光斑擴大光-原子相互作用體積，從而改善NMR信號質量，本發(fā)明裝置中的器件和結構 適合集成，可以實現芯片級物理系統(tǒng)。
[0039] 以上結合最佳實施例對本發(fā)明進行了描述，但本發(fā)明并不局限于以上揭示的實施 例，而應當涵蓋各種根據本發(fā)明的本質進行的修改、等效組合。
【權利要求】
1. 一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，包括VCSEL (7)，其特征在于，還包括刻凹 槽硅片（1)和設置在刻凹槽硅片（1)上的玻璃片（2)，刻凹槽硅片（1)上設置有倒方錐臺形 的凹槽，凹槽與玻璃片（2)之間的封閉區(qū)域構成原子蒸汽室（6)，原子蒸汽室（6)中充有堿 金屬原子、一種或多種惰性氣體原子以及一種或多種緩沖氣體，凹槽的側面設置有反射鏡， VCSEL(7)發(fā)出激光束經過第一直角三棱鏡（10)分為反射光和透射光，反射光被凹槽側面 的反射鏡反射到原子蒸汽室（6)作為探測光與原子作用，透射光通過四分之一波片后被凹 槽側面的反射鏡反射到原子蒸汽室（6)作為泵浦光與原子作用，泵浦光與探測光在原子蒸 汽室中正交，探測光與原子作用后被凹槽側面的反射鏡反射后被偏振分束器分為兩束，分 別采用光電探測器探測。
2. 根據權利要求1所述的一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，其特征在于，所述 的凹槽側面設置的反射鏡包括依次設置在凹槽的三個側面的第二凹槽側面反射鏡（4)、第 一凹槽側面反射鏡（3)和第三凹槽側面反射鏡（5)，VCSEL (7)設置在激光器基座（8)上，激 光器基座（8)設置在玻璃片（2)上，第一直角三棱鏡（10)的透射光經過四分之一波片（11) 轉換成圓偏振光后被第二直角三棱鏡（12)反射到第一凹槽側面反射鏡（3)上，圓偏振光被 第一凹槽側面反射鏡（3)反射后作為泵浦光，第一直角三棱鏡（10)的反射光被第三直角三 棱鏡（13)反射到第二凹槽側面反光鏡（4)上，第二凹槽側面反光鏡（4)將線偏振光反射 到原子蒸汽室（6)內作為探測光，探測光與泵浦光正交后被第三凹槽側面反光鏡（5)反射 并入射偏振分束器（14)，偏振分束器（14)將入射光分為兩束，其中一束被第一光電探測器 (15)探測，另一束被第二光電探測器（15)探測。
3. 根據權利要求2所述的一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，其特征在于，所述 的VCSEL(7)和第一直角三棱鏡（10)之間還設置有凸透鏡（9)，VCSEL(7)位于凸透鏡（9) 的焦點處。
4. 根據權利要求1所述的一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，其特征在于，所述 的第一直角三棱鏡（10)的透射光強占入射光強的85%?95%。
5. 根據權利要求1所述的一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，其特征在于，所述 的泵浦光的直徑與倒方錐臺形的凹槽的深度一致，所述的探測光的直徑與倒方錐臺形的凹 槽的深度一致。
6. 根據權利要求2所述的一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，其特征在于，所 述的VCSEL(7)的線偏振光的偏振方向與玻璃片（2)平行，所述的四分之一波片（11)的 光軸方向與入射激光的偏振方向成45°夾角，所述的第二直角三棱鏡（12)的內角分別為 35.26°、54. 74°和90°，所述的第三直角三棱鏡（13)的內角分別為35.26°、54. 74° 和90°，所述的倒方錐臺形的凹槽的三個側面均與玻璃片（2)的角度為54. 74°，第二直 角三棱鏡（12)、第三直角三棱鏡（13)的反射面與玻璃片（2)夾角均為35.26°，第二直角 三棱鏡（12)、第三直角三棱鏡（13)的反射面法線方向與入射激光束的入射方向夾角均為 54.74。。
7. 根據權利要求1所述的一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，其特征在于，所述 的刻凹槽硅片（1)為〈100〉晶向硅片，倒方錐臺形的凹槽的側面由濕法各向異性腐蝕得到。
8. 根據權利要求2所述的一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，其特征在于，所述 的第一凹槽側面發(fā)射鏡（3)、第二凹槽側面發(fā)射鏡（4)和第三凹槽側面發(fā)射鏡（5)為單層金 屬反射膜或多層介質反射膜。
9. 根據權利要求1所述的一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，其特征在于，所述 的刻凹槽硅片（1)的表面與玻璃片（2)通過陽極鍵合工藝貼合。
10. 根據權利要求2所述的一種芯片核磁共振陀螺儀物理單元裝置，其特征在于，所述 的入射偏振分束器（14)的激光與偏振分束器（14)分束面夾角為45°，分束后的兩出射激 光分別與第一光電探測器（15)和第二光電探測器（15)垂直。
【文檔編號】G01C19/60GK104048657SQ201410322514
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權日:2014年7月8日
【發(fā)明者】顧思洪, 張奕, 陳杰華, 吳紅衛(wèi), 王遠超 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所